Badanie kotła parowego
Instrukcja do ćwiczenia nr 14
Badanie maszyn - laboratorium
Opracował: dr inŜ. Andrzej Tatarek
Zakład Miernictwa i Ochrony Atmosfery
Wrocław, grudzień 2006 r.
Badanie kotła parowego
Instrukcja do ćwiczenia nr 14
Badanie maszyn - laboratorium
Opracował: dr inŜ. Andrzej Tatarek
Zakład Miernictwa i Ochrony Atmosfery
Wrocław, grudzień 2006 r.
2
1. Cel i zakres ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest przeprowadzenie badań kontrolnych kotła parowego OP-430, w
warunkach normalnej eksploatacji w Zespole Elektrociepłowni Wrocławskich KOGENERACJA
S.A. Zakres ćwiczenia obejmuje przeprowadzenie pomiarów określonych wielkości zgodnie z
arkuszem pomiarowym załączonym do instrukcji (Załącznik A). Po przeprowadzeniu pomiarów
wykonuje się zestawienie bilansu energii oraz wyznacza sprawność kotła i zuŜycie paliwa.
2. Charakterystyka kotła
Kocioł parowy OP-430 przedstawiony na rys. 1 jest zbudowany w układzie dwuciągowym,
komora paleniskowa jest całkowicie ekranowana, wykonana ze ścian szczelnych. Przegrzewacz pary
został zaprojektowany i zbudowany jako trzyczęściowy. Pierwszy stopień przegrzewacza
(konwekcyjny – PK) jest umieszczony w górnej części drugiego ciągu.
Rys. Andrzej Tatarek
53000
Rys. 1. Kocioł parowy OP-430; wydajność nominalna kotła 120 kg/s,
temperatura pary przegrzanej 540°C, ciśnienie pary przegrzanej 13,5 MPa
3
Drugi stopień (PG), półopromieniowany, zbudowany w formie grodzi jest umieszczony nad
komorą paleniskową, przed festonem – pęczkiem konwekcyjnym utworzonym z rur ekranu tylnego
komory paleniskowej. Trzeci stopień przegrzewacza (wylotowy – PW) znajduje się w kanale
międzyciągu. Pomiędzy przegrzewaczami PK i PG oraz PG i PW znajdują się wtryskowe regulatory
temperatur pary przegrzanej. Podgrzewacz wody (ECO) jest zawieszony na rurach wieszakowych w
drugim ciągu kotła.
Do rozpalania kotła słuŜą palniki mazutowe. Paliwem podstawowym jest węgiel kamienny
spalany w postaci pyłu węglowego. Kocioł jest wyposaŜony w instalację z bezpośrednim zasilaniem
z młynami średniobieŜnymi kulowo-misowymi MKM. Palniki pyłowe są zabudowane w naroŜach
komory paleniskowej.
2.1. Przepływ czynnika ogrzewającego (spalin) w kotle
Przy załoŜeniu pewnych uproszczeń w opisie konstrukcji kotła (np. pominięcie przegrzewacza
sufitowego) przepływ spalin moŜna przedstawić w następujący sposób. Spaliny powstałe w komorze
paleniskowej oddają część swojego ciepła rurom parownika (ekranom) tworzącym ściany szczelne, a
następnie przepływają przez przegrzewacz grodziowy (PG). Dalej płyną przez feston – pęczek
konwekcyjny utworzony z rur ekranu tylnego komory paleniskowej, będący częścią parownika.
Kolejnym przegrzewaczem na drodze spalin jest trzeci stopień przegrzewacza pary świeŜej –
przegrzewacz wylotowy (PW), umieszczony w międzyciągu. Za nim znajduje się przegrzewacz
konwekcyjny (PK) będący pierwszym stopniem przegrzewacza pary świeŜej. Dalej spaliny
przepływają przez podgrzewacz wody (ECO) umieszczony w drugim ciągu kotła. Za kotłem spaliny
rozdzielane są na dwa kanały spalin (strona lewa i strona prawa) i kierowane do dwóch obrotowych
podgrzewaczy powietrza LUVO. Następnie spaliny płyną do elektrofiltrów. Przepływ spalin jest
wymuszony wentylatorami spalin.
Aby spełnić wymagania ochrony środowiska w kotle spala się węgiel kamienny o niskiej
zawartości siarki, stąd stęŜenia SO
2
są na zadowalającym poziomie. Poprzez odpowiedni rozdział
powietrza, pył węgla kamiennego jest spalany w strefie palnikowej z niedomiarem utleniacza
(powietrza), a resztę powietrza doprowadza się do komory spalania za pomocą specjalnych dysz
SOFA. Jest to pierwotna metoda redukcji tlenków azotu, które oznaczamy symbolem NO
x
(w
kotłach pyłowych dominują NO i NO
2
). Usuwanie części stałych ze spalin (popiół lotny) odbywa się
w elektrofiltrach zapewniających wysoką skuteczność odpylania.
2.2. Przepływ czynnika ogrzewanego (woda – para wodna) w kotle
Na rys. 2 przedstawiono uproszczony schemat przepływu wody i pary wodnej w kotle
uwzględniający tylko najwaŜniejsze powierzchnie ogrzewalne kotła.
4
Woda zasilająca wtłaczana do kotła za pomocą pompy zasilającej przepływa przez podgrzewacz
wody ECO podzielony na dwie strony – lewą i prawą. Następnie podgrzana woda przepływa do
walczaka. Woda z walczaka za pomocą sześciu centralnych rur opadowych sprowadzana jest do
komór dolnych ekranów i rozdzielana jest na cztery ściany komory paleniskowej. W wyniku dalszego
ogrzewania w rurach ekranowych komory paleniskowej (parownik) część wody ulega odparowaniu.
Na skutek róŜnicy gęstości mieszanina wodno-parowa unosi się ku górze i przepływa do górnych
komór zbiorczych, skąd jest kierowana do walczaka. Woda, oddzielona od pary wodnej, ponownie
przepływa grawitacyjnie do parownika, natomiast para wodna płynie na trzystopniowy
przegrzewacz. Po rozdzieleniu na dwie nitki (lewa i prawa) para wodna przepływa kolejno przez
przegrzewacz konwekcyjny (PK), następnie przegrzewacz grodziowy (PG) i ostatni stopień
przegrzewu – przegrzewacz wylotowy (PW). Pomiędzy pierwszym i drugim oraz drugim i trzecim
stopniem przegrzewacza znajdują się wtryskowe regulatory temperatur pary przegrzanej.
ECO
PK
PG
PW
PAR
Para
ś
wie
Ŝ
a na turbin
ę
Woda
zasilaj
ą
ca
L
L
P
P
Rys.2. Schemat przepływu wody i pary wodnej w kotle;
(
•
) czarną kropką oznaczono punkty pomiarowe
5
3. Bilans energii kotła parowego
Równane bilansu energii moŜna zapisać w postaci:
s
u
d
Q
Q
Q
+
=
gdzie: Q
d
– strumień ciepła doprowadzonego do kotła, kW;
Q
u
– strumień ciepła przekazany czynnikowi w kotle, kW;
Q
s
– strumień ciepła strat, kW.
Z grupy strat wymienianych w przypadku bilansowania róŜnego rodzaju kotłów (rusztowe,
pyłowe, fluidalne lub gazowe, czy olejowe) ograniczymy się jedynie do poniŜszych wielkości:
r
p
z
n
w
s
Q
Q
Q
Q
Q
Q
+
+
+
+
=
gdzie: Q
w
– strata wylotowa, kW;
Q
n
– strata niezupełnego spalania, kW;
Q
z
– strata niecałkowitego spalania w ŜuŜlu, kW;
Q
p
– strata niecałkowitego spalania w popiele lotnym, kW;
Q
r
– strata promieniowania, kW.
4. Sprawność kotła parowego
Cieplną sprawnością kotła nazywamy stosunek strumienia ciepła przekazanego czynnikowi w
kotle, do strumienia ciepła doprowadzonego do kotła:
d
u
k
Q
Q
=
η
Cieplną sprawność kotła moŜna wyznaczyć dwiema metodami – bezpośrednią i pośrednią.
Wyznaczenie sprawności kotła metodą bezpośrednią
Kocioł OP-430 nie ma międzystopniowego przegrzewacza pary, więc wzór będzie miał postać:
(
)
100
⋅
⋅
−
⋅
=
r
w
wz
p
k
Q
B
i
i
D
η
,
%
gdzie: D – strumień masy pary wytwarzanej w kotle (wydajność kotła), kg/s;
i
p
– entalpia pary przegrzanej, kJ/kg;
i
wz
– entalpia wody zasilającej, kJ/kg;
B – strumień masy spalanego paliwa, kg/s;
Q
r
w
– wartość opałowa paliwa, kJ/kg.
6
Wyznaczenie sprawności kotła metodą pośrednią
Tę metodę wyznaczania sprawności stosuje się w przypadku, gdy przeprowadzenie pomiaru
strumienia masy spalanego paliwa nie jest moŜliwe z dostateczną dokładnością
∑
−
=
S
k
100
η
,
%
W sprawozdaniu uwzględniamy następujące straty:
r
p
z
n
w
S
S
S
S
S
S
+
+
+
+
=
∑
gdzie: S
w
– strata wylotowa, %;
S
n
– strata niezupełnego spalania, %;
S
z
– strata niecałkowitego spalania w ŜuŜlu, %;
S
p
– strata niecałkowitego spalania w popiele lotnym, %;
S
r
– strata promieniowania, %.
5. Wyznaczanie strat cieplnych kotła
5.1. Strata wylotowa
Jest spowodowana tym, Ŝe temperatura spali za ostatnią powierzchnią ogrzewalną kotła jest
wyŜsza od temperatury powietrza doprowadzanego do kotła
(
) (
)
pow
sp
O
H
p
O
H
sp
p
ss
w
t
t
c
V
c
V
B
Q
−
⋅
⋅
+
⋅
⋅
=
2
_
2
_
,
kW
gdzie: B – strumień masy spalanego paliwa, kg/s;
V
ss
– objętość spalin suchych uzyskanych ze spalenia 1 kg paliwa w warunkach umownych,
um
3
/kg;
c
p_sp
– średnie ciepło właściwe spalin suchych przy stałym ciśnieniu w warunkach umownych,
kJ/um
3
K;
V
H2O
– objętość pary wodnej powstałej ze spalenia 1 kg paliwa w warunkach umownych,
um
3
/kg;
c
p_H2O
– średnie ciepło właściwe pary wodnej przy stałym ciśnieniu w warunkach umownych,
kJ/um
3
K;
t
sp
– temperatura spalin za ostatnią powierzchnią ogrzewalną kotła, °C;
t
pow
– temperatura powietrza doprowadzonego do kotła (praktycznie temperatura otoczenia),
°C.
W sytuacji, gdy nie dysponujemy dokładnym pomiarem strumień masy spalanego paliwa B,
moŜemy skorzystać ze wzoru Siegerta na stratę wylotową wyraŜona w %:
7
(
)
CO
CO
CO
t
t
S
pow
sp
w
+
⋅
+
−
⋅
=
2
59
,
0
σ
,
%
gdzie:
σ
– współczynnik Siegerta zaleŜny od rodzaju spalanego paliwa, zawartości wilgoci w paliwie
oraz udziału CO
2
w spalinach (rys. 3);
CO
2
– zawartość dwutlenku węgla w spalinach za kotłem, %;
CO – zawartość tlenku węgla w spalinach za kotłem, %; jeśli udział CO < 0,3% to nie
uwzględniamy tej wielkości we wzorze.
Rys. 3. Współczynnik
σ
do wzoru Siegerta
8
5.2. Strata niezupełnego spalania
Jest spowodowana obecnością w spalinach gazów palnych, np. CO, CH
4
lub H
2
. MoŜna
załoŜyć, Ŝe jedynym produktem spalania niezupełnego jest tlenek węgla. Wtedy wzór na stratę
niezupełnego spalania moŜemy zapisać:
⋅
⋅
⋅
=
100
CO
Q
V
B
Q
r
CO
ss
n
,
kW
gdzie: B – strumień masy spalanego paliwa, kg/s;
V
ss
– objętość spalin suchych uzyskanych ze spalenia 1 kg paliwa w warunkach umownych,
um
3
/kg;
Q
r
CO
– wartość opałowa tlenku węgla, wynosi 12644 kJ/um
3
;
CO – zawartość tlenku węgla w spalinach za kotłem, %.
Strata niezupełnego spalania wyraŜona w %:
r
w
r
CO
ss
r
w
r
CO
ss
n
Q
CO
Q
V
Q
B
CO
Q
V
B
S
⋅
⋅
=
⋅
⋅
⋅
⋅
=
100
100
,
%
gdzie: Q
r
w
– wartość opałowa paliwa, kJ/kg.
5.3. Strata niecałkowitego spalania w ŜuŜlu
Strata występuje tylko przy spalaniu paliw stałych i spowodowana jest obecnością niespalonych
cząstek paliwa w ŜuŜlu.
r
C
Z
z
Q
C
ś
Q
⋅
⋅
=
100
, kW
gdzie: ś – strumień masy ŜuŜla usuwanego z paleniska, kg/s;
C
Z
– zawartość części palnych w ŜuŜlu, %;
Q
r
C
– wartość opałowa pierwiastka węgla, wynosi 33900 kJ/kg.
Ze względu na trudności w dokładnym wyznaczeniu strumienia masy ŜuŜla usuwanego z
paleniska musimy posłuŜyć się innym wzorem.
Zakłada się, Ŝe udział części mineralnych, czyli popiołu, związanych w komorze paleniskowej
kotłów pyłowych wynosi 0,2 (ŜuŜel), a reszta to części mineralne porywane ze spalinami – 0,8
(popiół lotny).
−
⋅
⋅
⋅
=
Z
Z
r
w
r
C
r
z
C
C
Q
Q
A
S
100
2
,
0
,
%
gdzie: A
r
– zawartość popiołu w paliwie roboczym, %.
9
5.4. Strata niecałkowitego spalania w popiele lotnym
Strata występuje tylko przy spalaniu paliw stałych i spowodowana jest obecnością niespalonych
cząstek paliwa w popiele lotnym.
r
C
P
p
Q
C
P
Q
⋅
⋅
=
100
, kW
gdzie: P – strumień masy popiołu lotnego unoszonego ze spalinami z paleniska, kg/s;
C
P
– zawartość części palnych w popiele lotnym, %;
Q
r
C
– wartość opałowa pierwiastka węgla, wynosi 33900 kJ/kg.
Ze względu na trudności w dokładnym wyznaczeniu strumienia masy popiołu lotnego
unoszonego ze spalinami z paleniska posługujemy się wzorem:
−
⋅
⋅
⋅
=
P
P
r
w
r
C
r
p
C
C
Q
Q
A
S
100
8
,
0
,
%
5.5. Strata promieniowania (strata do otoczenia)
Strata występuje na skutek oddawania ciepła do otoczenia przez elementy konstrukcji kotła.
Przy metodzie pośredniej wyznaczania sprawności kotła, stratę promieniowania odczytuje się z
wykresu przedstawionego na rys. 4 dla określonej mocy cieplnej kotła.
(
)
wz
p
u
i
i
D
Q
−
⋅
=
,
kW
gdzie: D – strumień masy pary wytwarzanej w kotle (wydajność kotła), kg/s;
i
p
– entalpia pary przegrzanej, kJ/kg;
i
wz
– entalpia wody zasilającej, kJ/kg;
Rys. 4. Strata promieniowania (strata do otoczenia)
b – dla węgla kamiennego
10
6. Obliczenia pomocnicze
Współczynnik nadmiaru powietrza
Współczynnik nadmiaru powietrza moŜemy z wystarczającą dokładnością wyznaczyć z
poniŜszego wzoru:
2
max
2
CO
CO
n
=
gdzie: CO
2max
– maksymalny udział dwutlenku węgla w spalinach powstałych podczas całkowitego i
zupełnego spalenia węgla kamiennego w warunkach stechiometrycznych; do obliczeń
przyjmujemy CO
2max
= 18,8%;
CO
2
– udział dwutlenku węgla w badanych spalinach, %.
Jeśli nie było pomiaru dwutlenku węgla w spalinach, to korzystamy ze wzoru:
2
2
9
,
20
O
CO
−
=
,
%
gdzie: O
2
– udział tlenu w badanych spalinach, %.
Teoretyczne zapotrzebowanie powietrza
W przypadku, gdy nie znamy pełnego składu chemicznego paliwa, a dysponujemy tylko
wartością opałową, moŜemy posłuŜyć się wzorem przybliŜonym:
5
,
0
8
,
4186
012
,
1
+
⋅
=
r
w
t
p
Q
V
,
um
3
/kg
Teoretyczna objętość spalin wilgotnych
65
,
1
8
,
4186
86
,
0
+
⋅
=
r
w
t
spm
Q
V
,
um
3
/kg
Rzeczywista objętość spalin wilgotnych
( )
t
p
t
spm
spm
V
n
V
V
⋅
−
+
=
1
,
um
3
/kg
Objętość pary wodnej w spalinach
t
p
r
r
O
H
V
n
d
W
H
V
⋅
⋅
⋅
+
⋅
⋅
+
=
61
,
1
4
,
22
01
,
0
18
2
2
,
um
3
/kg
gdzie: H
r
– zawartość wodoru w paliwie roboczym, %;
W
r
– zawartość wilgoci w paliwie roboczym, %;
d – zawartość wilgoci w powietrzu doprowadzanym do kotła, przyjmujemy do obliczeń
d=10 g wilgoci / 1 kg powietrza = 0,01 kg wilgoci/kg powietrza;
n – współczynnik nadmiaru powietrza.
11
Objętość spalin suchych
O
H
spm
ss
V
V
V
2
−
=
,
um
3
/kg
Przeliczanie zawartości (stęŜeń) tlenku węgla
Z systemu kontrolno-pomiarowego kotła OP-430 otrzymujemy stęŜenie tlenku węgla w
mg/um
3
, a interesuje nas udział CO w %. Wiedząc, Ŝe 1 ppm CO = 1,0115 mg/um
3
moŜemy
wykonać przeliczenie, np.:
Zmierzono 20 mg/um
3
CO w spalinach, więc udział w % wynosi:
(
)
%
001977
,
0
%
10
77
,
19
77
,
19
0115
,
1
20
4
=
⋅
=
≅
=
−
ppm
ppm
CO
7. Graficzne przedstawienie bilansu kotła – wykres Sankeya
W sprawozdaniu naleŜy sporządzić wykres Sankeya dla kotła parowego OP-430. Na rysunku 5
przedstawiono przykładowy wykres.
Q
w
Q
d
Q
u
Q
p
Q
z
Q
n
Q
r
Rys. 5. Wykres Sankeya – bilans energii w kotle
Przy opracowaniu instrukcji korzystano z „Pomiary cieplne i energetyczne”, prac. zbiorowa pod red. M. Mieszkowskiego, Wydanie II,
WNT, Warszawa 1985
12
Załącznik A
Ćwiczenie nr 14. Badanie kotła parowego
..................................................................
..........................................
............................
Imię i nazwisko
Nr grupy
Data
p
b
= .................... hPa
Arkusz pomiarowy
Wielkość mierzona
Symbol
Jednostka
Wartość
Strumień masy pary świeŜej
D
p
Mg/h
Temperatura pary świeŜej
t
p
°C
P
ar
a
św
ie
Ŝa
Ciśnienie pary świeŜej
p
p
MPa
Strumień masy wody zasilającej
D
wz
Mg/h
Temperatura wody zasilającej
t
wz
°C
Ciśnienie wody zasilającej
p
wz
MPa
W
o
d
a
za
si
la
ją
ca
Strumień masy wody na wtryski
D
wtr
Mg/h
Ciśnienie w komorze paleniskowej
p
kp
Pa
Temperatura spalin za ECO
t
sp_ECO
°C
Ciśnienie spalin za ECO
p
sp_ECO
Pa
Temperatura spalin za LUVO
t
sp_LUVO
°C
P
ar
am
et
ry
s
p
al
in
Ciśnienie spalin za LUVO
p
sp_LUVO
Pa
Temperatura przed LUVO
t
pow1
°C
Temperatura za LUVO
t
pow2
°C
Ciśnienie przed LUVO
p
pow1
Pa
P
ar
am
et
ry
p
o
w
ie
tr
za
Ciśnienie za LUVO
p
pow2
Pa
Zawartość O
2
O
2
%
Zawartość CO
2
CO
2
%
Zawartość CO
CO
mg/um
3
Zawartość SO
2
SO
2
mg/um
3
A
n
al
iz
a
sp
al
in
Zawartość NO
x
NO
x
mg/um
3
Wartość opałowa
Q
r
w
kJ/kg
Zawartość popiołu
A
r
%
Zawartość wilgoci
W
r
%
A
n
al
iz
a
p
al
iw
a
Zawartość wodoru
H
r
%
Zawartość części palnych
w popiele lotnym
C
P
%
A
n
al
iz
a
Ŝu
Ŝl
a
i
p
o
p
io
łu
Zawartość części palnych
w ŜuŜlu
C
ś
%